L’éclairage de secours bénéficie des progrès technologiques en matière de DEL, de protection des circuits et de systèmes électriques de secours

Le marché des systèmes d'éclairage DEL de secours est sans doute l'un des plus avancés. Si les dispositifs DEL sont utilisés depuis une vingtaine d'années maintenant dans la signalétique de sortie simple, cela ne fait que six ans environ qu'ils sont utilisables pour les systèmes d'éclairage d'urgence. Les améliorations apportées au rendement et à l'uniformité des couleurs des DEL blanches, ainsi que la réduction des prix, ont été des catalyseurs du changement.

Avec la poursuite de l'évolution technologique et de l'érosion des prix, il devient de plus en plus intéressant d'utiliser des DEL dans une gamme élargie de systèmes d'éclairage de secours. De plus, le design innovant associé aux avantages de la technologie DEL peut fournir un atout concurrentiel important aux concepteurs d'éclairage. Les progrès des batteries/systèmes de stockage d'énergie destinés aux dispositifs de fonctionnement de secours et de protection des circuits, ainsi que les progrès des DEL elles-mêmes, créent de nouvelles opportunités.

Cet article passe en revue les technologies de pointe en matière de systèmes d'éclairage DEL de secours et met l'accent sur le développements de nouveaux composants. Par exemple, le rendement amélioré, le fonctionnement à des températures moins élevées, la faible consommation et la meilleure robustesse des DEL sont des éléments qui permettent d'améliorer la fiabilité et de réduire les coûts d'entretien. Parmi les dispositifs les plus fréquents, citons notamment les DEL Golden Dragon Plus et Duris P5 d'Osram, LUXEON® Z de Philips Lumileds et la gamme STW8 de Seoul Semiconductor.

Les solutions de protection des circuits garantissent la tranquillité d'esprit pour l'éclairage de secours des applications critiques en termes de sécurité, en particulier s'il existe un risque d'incendie ou d'explosion. Des dispositifs tels que les protecteurs de DEL par dérivation de Bourns et les protecteurs de circuits Polyswitch de TE Connectivity sont des options fréquemment choisies.

Enfin, la technologie des batteries a rapidement évolué ces dernières années avec l'adoption de la technologie lithium-ion qui offre des solutions de secours avec des batteries plus petites mais plus puissantes. Toutefois, dans certaines applications de sécurité critiques, ces dernières sont considérées comme une source potentielle d'incendie si elles ne sont pas correctement protégées. Le supercondensateur représente une alternative, et parfois même une solution complémentaire. Chez Eaton, la gamme PowerStor a déjà trouvé sa place dans toute une gamme d'applications, notamment l'éclairage de secours.

La sécurité avant tout

Dans tous les lieux où de nombreuses personnes sont réunies, à l'intérieur ou autour de bâtiments, dans des centres commerciaux, dans des parkings souterrains ou dans des avions et dans les systèmes de transports en commun, l'éclairage de secours est un facteur essentiel. Il est vital d'avoir un éclairage efficace afin d'assurer une évacuation rapide sans panique, en particulier en cas d'incendie. Et il est essentiel d'avoir des signaux de sortie d'urgence bien éclairés et espacés correctement, indiquant le chemin le plus court pour l'évacuation, pour éviter tout problème d'orientation. En général, les personnes auront tendance à reprendre le chemin emprunté pour entrer dans le bâtiment, ce qui n'est pas nécessairement le meilleur choix.

On peut s'attendre à ce que les lampes fluorescentes continuent à être utilisées dans les installations les plus anciennes, mais elles sont progressivement remplacées par des lampes DEL. Les modules DEL qui remplacent les tubes fluorescents T8 traditionnels sont de plus en plus appréciés comme unités de remplacement. De manière générale, les DEL présentent de nombreux avantages en termes de performances et de coût, ce qui encourage leur utilisation accrue dans de nombreuses applications d'éclairage de secours. Partout où les systèmes d'éclairage principaux sont améliorés ou remplacés par la technologie DEL, il est fréquent que les installations d'éclairage de secours auxiliaires soient également remplacées par des DEL.

Le nombre croissant d'avantages présentés par la technologie DEL suffit à convaincre. La longévité et la fiabilité des lampes DEL sont bien adaptées aux systèmes de secours et contribuent ainsi à réduire la fréquence et les coûts d'entretien. Exemptes de plomb et de mercure, les DEL sont jugées plus respectueuses de l'environnement. Ce sont également des systèmes à sécurité intrinsèque, ce qui en fait l'option d'éclairage idéale dans les mines, la prospection pétrolière et dans d'autres environnements potentiellement explosifs. Sans verre, les DEL sont plus robustes, plus résistantes aux chocs et aux vibrations, et moins vulnérables aux dommages causés par des vandales dans les lieux publics.

La faible consommation générale des DEL par rapport aux technologies d'éclairage traditionnelles est idéale pour les systèmes d'éclairage sur batteries ou de générateurs de secours se déclenchant quand l'alimentation secteur est en panne.

La nature des lampes DEL, en tant que sources lumineuses ponctuelles, facilite le contrôle de la lumière là où elle est requise. Cette caractéristique, associée à un haut rendement optique, permet de réduire davantage la consommation énergétique. Selon l'organisme britannique ICEL (Industry Committee for Emergency Lighting)¹, sous leur forme la plus simple, deux DEL de 1 W dotées d'un circuit d'attaque à faisceau de 60°, d'un onduleur et d'une batterie 3,6 V, installées à 3 m au-dessus du sol selon un espacement recommandé, n'auraient aucun problème à fournir la luminosité requise au niveau du sol, conformément aux normes internationales.

Esthétisme

Un autre avantage des DEL, en particulier dans les scénarios d'éclairage à grande échelle, est la taille compacte et la possibilité de combiner l'éclairage de secours à l'éclairage architectural. Les luminaires peuvent être construits dans presque n'importe quelle taille ou forme, puis être facilement intégrés dans les structures et les matériaux qui font partie des caractéristiques existantes du bâtiment. Les réglettes lumineuses sont particulièrement utiles pour les escaliers et les entrées, et d'autres modules peuvent être encastrés dans les sols et les murs, ou même ajoutés dans des structures existantes. Le fait de pouvoir mieux dissimuler l'éclairage de secours et de l'intégrer esthétiquement dans un bâtiment apporte une flexibilité beaucoup plus grande aux concepteurs de systèmes d'éclairage et à leurs clients.

Une étude de cas présentée par Osram Semiconductor² illustre ce qui peut être réalisé dans ce domaine. L'entrée de la station de métro (U-bahn/S-Bahn) Karlplatz Stachus à Munich en Allemagne dispose d'un escalier qui, pour des raisons de construction, ne peut être éclairé que par les rampes, ce qui représente une longueur totale de 700 mètres. Ce système d'éclairage sert aussi d'éclairage de secours, grâce à une alimentation par batterie en cas de panne de courant. Grâce à leur faible consommation, une rampe lumineuse de 18 m composée de DEL Osram ne requiert pas plus de 100 W.

Figure 1 : La zone d'entrée du réseau de transport souterrain S-Bahn et U-Bahn Karlplatz Stachus à Munich, présentant la rampe éclairée avec des DEL qui sert également d'éclairage de secours de l'escalier en cas de panne de courant.

Le type et les spécifications de DEL requis pour les systèmes d'éclairage de secours dépendent largement des applications. Cependant, certaines caractéristiques communes sont généralement recherchées : faible consommation, fonctionnement à une température moins élevée et excellent rendement lumineux. Les DEL de type blanc froid ayant une température de couleur comprise entre 3000 et 6500 K, un IRC de 80 ou plus, et un rendement avoisinant les 75 à 100 lm/W font partie des exigences classiques.

D'autres caractéristiques sont à prendre en compte selon l'application, notamment la petite taille, la robustesse et la durabilité du boîtier, la simplicité et la flexibilité de la conception du module pour créer des chaînes et d'autres formes, et la possibilité de les utiliser avec une batterie de secours ou d'autres sources d'alimentation temporaires.

Balisage lumineux

Les dispositifs comme la gamme de DEL Duris P5 d'Osram Opto Semiconductor sont clairement adaptés aux applications d'éclairage de secours. Un dispositif blanc neutre (4000 K) comme le modèle GW DASPA1.EC-GUHQ-5L7N-1 fournit le haut rendement, la consommation moyenne et la durée de vie étendue requis pour le balisage lumineux de secours, comme celui utilisé dans les escaliers et les itinéraires d'évacuation. Avec un flux lumineux type de 29 lm à 100 mA, un rendement optique de 96 lm/W et un IRC de 80, le dispositif est fourni dans un boîtier CMS-2 sans plomb. La tension directe typique est de 3,02 V, le courant direct maximum de 250 mA et l'angle de visualisation de 130°. La gamme Duris P5 comporte des dispositifs lumineux plus chauds (3000 K) et plus froids (5000 K) avec des spécifications similaires à la version 4000 K.

Pour les applications nécessitant un rendement lumineux supérieur, avec toutefois une consommation plus élevée, Osram propose la série LUW W5AM dans la gamme Golden Dragon Plus. Le flux lumineux typique est de 116 lm à 350 mA et peut atteindre 237 lm à 1 A. Encore une fois, étant conçus spécifiquement pour le balisage lumineux dans les systèmes d'éclairage de secours, ces dispositifs offrent une source lumineuse très efficace dans un boîtier extra-plat. Le rendement optique est estimé à 146 lm/W à 100 mA, avec un courant direct maximum de 1 A, une tension directe typique de 3,2 W et une résistance thermique de 6,5 K/W.

Figure 2 : DEL haut rendement Golden Dragon Plus d'Osram pour applications de balisage lumineux.

Des dispositifs aux performances similaires sont disponibles dans la gamme Philips Lumileds. Le modèle LUXEON Z 4070 fournit une température de couleur pouvant atteindre 4000 K et un IRC de 70. Le flux lumineux typique est de 138 lm à 500 mA. Le rendement typique est de 95 lm/W. Un autre paramètre utile mentionné sur la fiche technique est la taille du dispositif par rapport à la sortie lumineuse potentielle, estimée à 63 lm/mm² pour une DEL de milieu de gamme. Les dispositifs peuvent être fournis non encapsulés, la meilleure solution pour une intégration dans des réglettes ou des modules.

Figure 3 : DEL LUXEON Z de Philips Lumileds dans une micro-empreinte de 2,2 mm².

Au sein de sa large gamme Acrich de DEL simples et de modules à plusieurs DEL, Seoul Semiconductor propose différents composants à l'extrémité la plus froide et la plus blanche du spectre. Le modèle STW8Q14BE de 6500 K n'est qu'un exemple de la gamme des DEL simples, destinées aux applications d'éclairage général, intérieur et architectural. Intégrant une protection DES, la DEL elle-même est encapsulée dans du silicone et assemblée dans un corps en thermoplastique résistant à la chaleur. Les spécifications électriques incluent une tension directe de 3,2 V (typique), un courant direct de 160 mA (maximum), une intensité lumineuse de 35 lm (3700 à 7000 K), un IRC de 80 (minimum) et une résistance thermique de 18°C/W.

Protection des circuits

Si certains modules d'éclairage DEL de secours préassemblés sont fournis avec les circuits appropriés pour basculer automatiquement entre le secteur et l'alimentation de secours, des dispositifs supplémentaires de protection des DEL par dérivation peuvent être installés pour augmenter la robustesse et la fiabilité du système. Une protection supplémentaire peut permettre de réduire les coûts liés aux réparations et aux remplacements des lampes DEL, en particulier dans le cas de longues chaînes composées de plusieurs DEL de séries différentes commandées par une alimentation à courant constant à tension relativement élevée.

Configurer des chaînes à plusieurs DEL présente certains avantages. Un premier avantage est la plus grande simplicité de conception de l'alimentation, à ajouter au fait qu'une alimentation à haute tension et faible courant améliore le rendement de l'alimentation elle-même. L'évolutivité, la modularité et la flexibilité des formats sont des facteurs importants qui influencent le choix des chaînes de DEL par rapport à d'autres technologies d'éclairage. Cependant, l'inconvénient réside dans le fait qu'une DEL ouverte sur une chaîne de DEL éteint tous les dispositifs sur cette chaîne. Les pannes de DEL peuvent être causées par des températures élevées, une décharge électrostatique (DES), une surtension ou une surintensité.

Les chaînes de DEL basse puissance peuvent facilement être protégées avec des diodes Zener. Pour les applications haute puissance (fonctionnant à plus de 75 mA), il est conseillé d'utiliser des dispositifs de protection de DEL par dérivation. En mode actif, ces derniers dissipent moins de puissance qu'une DEL ouverte à leur place. Ces dispositifs à thyristor fonctionnent en faisant dévier le courant autour la DEL inutilisable, créant un pont, pour garantir que les diodes fonctionnelles de la chaîne restent allumées.

Bourns est le premier fournisseur de dispositifs de protection de DEL par dérivation. Le modèle LSP0600BJR-S fonctionne à 6 V. Pour optimiser le niveau de protection disponible, nous recommandons aux concepteurs d'utiliser un dispositif par DEL. Sinon, pour réduire les coûts, d'autres éléments de la gamme offrent une protection à 9, 13 et 18 V et peuvent être utilisés pour isoler des groupes de deux, trois ou quatre DEL respectivement.

Bourns a rédigé un livre blanc³ utile qui décrit les problèmes liés à l'alimentation en ce qui concerne la tension en courant constant d'une source d'alimentation à courant constant. Des exemples de circuits et de conceptions sont fournis : ils présentent les exigences subies par l'alimentation dans des situations de panne spécifiques intégrant des dispositifs de la série LSP de Bourns. Des conseils sont également donnés sur les architectures d'alimentation appropriées pour les chaînes de DEL.

Protection contre les surintensités

La protection des dispositifs d'éclairage DEL, ainsi que des batteries des éclairages de secours, contre les dommages causés par les surintensités et la chaleur, est la principale fonction des produits de protection des circuits Raychem proposés par TE Connectivity. La société souligne que, même si elles durent considérablement plus longtemps que les technologies d'éclairage qu'elles remplacent, les DEL ont une durée de vie variable en fonction de divers facteurs : température de jonction, tension et courant de fonctionnement.

Les dispositifs PPTC réinitialisables, comme ceux des gammes haute durabilité PolySwitch et PolyZen de TE, ont démontré leur efficacité dans la protection des circuits DEL. Les applications typiques incluent la protection de l'entrée d'alimentation contre les surtensions et les transitoires couplés secteur, la protection de sortie de circuit d'attaque DEL et la protection des DEL contre les décharges électrostatiques. Ces dispositifs sont particulièrement efficaces dans les installations d'éclairage de secours haute fiabilité car ils se réinitialisent une fois la panne résolue et le système remis sous tension.

Figure 4 : Sélection de dispositifs réinitialisables de la gamme PolySwitch étendue pouvant être utilisés pour protéger les circuits d'éclairage DEL de secours.

D'après le fabricant, la plupart des applications DEL utilisent des dispositifs de conversion et de contrôle de la puissance pour communiquer avec la source d'alimentation et contrôler la dissipation de puissance à partir du circuit d'attaque DEL. Les dispositifs PPTC réinitialisables comme ceux de la gamme PolySwitch ont pour fonction de protéger ces interfaces contre les dommages causés par les surintensités et les surchauffes.

Dans le cadre d'un fonctionnement normal, le fusible a une faible valeur de résistance. En cas de surintensité, le dispositif adopte un état de résistance élevée. Cela permet de protéger l'équipement dans le circuit en réduisant la quantité de courant circulant en condition défaillance à un niveau faible et stable. Le dispositif reste en position verrouillée jusqu'à la fin de la panne. Une fois le circuit remis sous tension, le dispositif se réinitialise, la circulation du courant reprend et le circuit retrouve un fonctionnement normal. Des informations détaillées et des schémas de circuits sont disponibles dans un précédent article TechZone de DigiKey.⁴

De nombreux circuits d'attaque DEL nécessitent une entrée CC protégée pour fournir un courant stable à la diode. Un dispositif PolySwitch, en série avec le circuit d'attaque DEL et associé à un limiteur de tension parallèle, de type diode de suppression transitoire ou Zener, permet de fournir une protection efficace. Les composants PolySwitch sont disponibles dans divers formats, en boîtier 1608 miniature pour les applications les plus compactes, pour des économies de coûts et d'espace. Les concepteurs peuvent choisir des courants nominaux allant de 50 mA à 3 A, et des tensions nominales allant de 6 V à 60 V.

Parmi les dispositifs typiques de protection des circuits intégrés figure le nanoSMDC150F 6 V, présentant un maintien de courant de 1,5 A, un déclenchement nominal à 3 A et un courant maximum de 100 A. Le délai de déclenchement est de 0,3 s.

Alimentation de secours

Les supercondensateurs sont de plus en plus populaires comme source d'alimentation de secours dans certaines applications, en particulier dans les systèmes de sécurité stratégiques dans lesquels les batteries lithium-ion peuvent présenter un risque d'incendie. Comparés aux batteries, les supercondensateurs peuvent fournir une puissance plus de 10 fois supérieure et une durée de vie plus de 1000 fois supérieure. Ils offrent une densité énergétique supérieure de trois ordres de grandeur à celle des condensateurs électrolytiques traditionnels.

Ils fonctionnent également plutôt bien en tandem avec les technologies de batterie de secours conventionnelles pour améliorer la performance et la durée de vie de ces systèmes. Et les utiliser dans les systèmes d'alimentation de maintien et de pontage dans les applications d'éclairage de secours est un vrai atout, car cela permet de garantir une puissance constante même en cas de panne secteur. Les supercondensateurs ont la réputation d'être plus respectueux de l'environnement que les batteries, et peuvent aider les concepteurs à réduire leurs besoins en batteries et à prolonger la durée de vie de celles-ci.

Eaton est un acteur majeur sur le marché des supercondensateurs. Les dispositifs cylindriques séries XB et XV fournissent une capacité de 300 à 400 F, avec des tensions de fonctionnement de 2,5 V et 2,7 V respectivement. Offrant une résistance série équivalente ultrafaible pour une haute densité de puissance, ces dispositifs garantissent une chute minimale de tension en cas de pic de la demande en courant. Ils sont particulièrement adaptés pour les alimentations secourues et les systèmes électriques de secours, ainsi que pour les installations d'éclairage de secours.

Le PowerStor XB3550 est un dispositif typique de la série XB qui fournit une capacité de 300 F à 2,5 V. Dans le haut de la gamme XV, citons le supercondensateur PowerStor XB3560 fournissant une capacité de 400 F avec une tension nominale de 2,7 V.

Figure 5 : Supercondensateurs PowerStor de Eaton destinés aux fonctions de maintien et pontage dans diverses applications de sécurité et industrielles.

Résumé 

Les systèmes d'éclairage de secours, bien que peu prestigieux, bénéficient d'avancées technologiques ne se limitant pas aux DEL elles-mêmes, mais s'intéressant également aux sous-systèmes auxiliaires pour les fonctions essentielles de protection des circuits et de batteries de secours. Les concepteurs d'éclairage de secours ont la possibilité de moderniser leurs offres produits et de se démarquer dans ce secteur, à la fois pour les nouvelles installations et pour les unités de remplacement.

Références :

1. Industry Committee for Emergency Lighting (ICEL)
2. Étude de cas Osram Semiconductor, éclairage de la station Karlsplatz à Munich
3. Livre blanc Bourns : Nouveaux dispositifs de protection de DEL ouverte par dérivation
4. Protection de circuit coordonnée pour éclairage DEL